전자기학 (원본) (1)

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電磁氣學 / Electromagnetism

전기력과 자기력을 함께 설명하는 물리학 분야이다.

== 정전기학 ==
정전기학(Electrostatics)이란 고정된 전하가 만들어내는 전기장을 설명하는 분야이다. 고정된 전하가 만드는 전기장을 정전기장이라고 부른다. 정전기력은 흔히 쿨롱의 법칙(Coulomb's Law) [math( {\vec{F}}_{\mathrm{ES}} = {k}_{\mathrm{E}} \! \frac{{q}_{\mathrm{s}} {q}_{\mathrm{t}}}{{d}^{2}} \! \hat{d} )]이라 불리는 관계식에 따라 결정된다. 이때 전기장은 [math( \vec{E} = \frac{{\vec{F}}_{\mathrm{ES}}}{{q}_{\mathrm{t}}} )]이다. 이 전기장은 전기장에 대한 가우스의 법칙(Gauss's Law about Electric Field) [math( \nabla \cdot \vec{E} = \frac{\rho}{{\varepsilon}_{0}} )]과 캠의 법칙(Cam's Law) [math( \nabla \times \vec{E} = \vec{0} )]을 따른다. 참고로 이 두 방정식을 정전기장에 대한 장 방정식이라고 한다. 모든 정전기장은 이 두 방정식을 만족해야 하며, 그렇지 않은 경우 정전기장이라 부를 수 없다.

헬름홀츠 장 이론에 따르면 위의 두 방정식을 만족하는 장은 다음과 같은 스칼라 함수의 그래디언트로 나타낼 수 있으며, 이 스칼라 함수를 전위라고 한다. 이 전위를 구하는 방법은 전하 분포의 관한 푸아송 분포를 풀면 된다. 유일성 정리에 따라 어떤 전위를 찾으면, 그 전위는 유일하다. 그래서, 영상 전하법 등이 사용되어 전위를 결정하는 데에 사용하는 것이다.

== 정자기학 ==
정자기학(Magnetostatics)이란 자기장이 변하지 않는, 즉 전류가 일정할 때 발생하는 자기장을 설명하는 분야이다. 전류가 모든 시각에 걸쳐 일정할 때 그 전류를 정상전류(Static Current)라고 부른다. 정상전류가 흐를 때 알짜 전하는 0이기 때문에 정전기적인 상호작용을 하지 않는다. 그러나 전류는 자기장을 만들어내는데, 전류가 흐를 때 그 전류를 주위로 자기장이 형성된다. 전류가 정상전류이므로 자기장도 변하지 않는데, 이러한 자기장을 정자기장이라고 한다. 정자기력은 흔히 [math( {\vec{F}}_{\mathrm{MS}} = {\vec{I}}_{\mathrm{t}} \times \vec{B} )]으로 계산할 수 있는데, 여기서 [math( {\vec{I}}_{\mathrm{t}} )]는 시험전류(Test Current)이고 [math( \vec{B} )]는 자기장이다. 이 자기장은 자기장에 대한 가우스의 법칙(Gauss's Law about Magnetic Field) [math( \nabla \cdot \vec{B} = 0 )]과 앙페르의 법칙(Ampere's Law) [math( \nabla \times \vec{B} = {\mu}_{0} \vec{J} )]을 따른다. 이 두 방정식을 정자기장에 대한 장방정식이라고 한다. 모든 정자기장은 이 방정식을 모두 만족해야 한다.

== 전기동역학 ==
전기동역학(Electrodynamics)은 운동하는 전하 또는 시각에 따라 변하는 전류가 만들어내는 전자기장과 전하, 전류의 상호작용을 기술하는 분야이다. 전기동역학에서의 운동 방정식은 로렌츠 힘(Lorentz Force)에 대한 관계식 [math( \vec{F} = q \left ( \vec{E} + \vec{v} \times \vec{B} \right ) )]이며, 장 방정식은 맥스웰 방정식(Maxwell's Equation) [math( \nabla \cdot \vec{E} = \frac{\rho}{{\varepsilon}_{0}} , \nabla \times \vec{E} = - \! \frac{\partial \vec{B}}{\partial t} , \nabla \cdot \vec{B} = 0 , \nabla \times \vec{B} = {\varepsilon}_{0} {\mu}_{0} \! \frac{\partial \vec{E}}{\partial t} + {\mu}_{0} \vec{J} )]이다. 전기동역학의 핵심은 이 방정식들을 가지고 전자기적 상호작용을 기술하는 것이며, 상호작용의 각 구성요소들은 서로서로 특별한 관계를 가지고 있다. 이는 장이 물체의 운동을 결정하고, 다시 물체가 장을 결정하는 것을 나타낸다.

=== 특수 상대성 이론과의 관계 ===
특수 상대성 이론은 본래 1908년 발표된 아인슈타인의 논문 움직이는 물체의 전기 동역학에 관하여에서 처음으로 등장한 이론이다. 뉴턴역학의 절대 시공간에서의 갈릴레이 변환은 맥스웰이 완성한 전자기학과 충돌하였다. 아인슈타인은 이러한 문제를 해결하기 위하여 [[로런츠 변환|로런츠 변환(Lorentz Transformation)]]을 발견했는데, 이후 헤르만 민코프스키(Hermann Minkowski)에 의해 시공간을 [[로런츠 변환]]이 가능한 쌍곡공간의 일종인 민코프스키 공간이 만들어졌다. 특수 상대성 이론에 따르면 자기력은 전기력의 상대론적 효과이다.

== 양자전기동역학 ==
양자전기동역학은 전자기학을 양자장론적 관점에서 대체한 이론이다. 역사상 가장 실험과 이론이 정밀하게 일치하는 물리학 이론으로 손꼽힌다.

== 영상 ==
[youtube(mTJdHpAHKKk)]

[Include(틀:가져옴2,O=오메가, C=[[https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/deed.ko|CC BY-NC-SA 3.0]])]